Como uma bomba tipo roots funciona?
O princípio de design das bombas tipo roots já foi inventado em 1848 por Isaías Davies, mas foi 20 anos mais tarde antes de ser implementado na prática pelos americanos Francis e Philander Roots. Inicialmente, essas bombas foram usadas como sopradores para motores de combustão. Posteriormente, invertendo o arranjo de acionamento, o princípio foi empregado em medidores de gás. Apenas desde 1954 este princípio tem sido empregado em engenharia de vácuo. As bombas tipo roots são usadas em combinações de bombas com bombas de apoio (palhetas rotativas ou bombas secas) e estendem sua faixa de operação até a faixa de vácuo médio. Com bombas tipo roots de dois estágios, isso se estende até a faixa de alto vácuo. O princípio de funcionamento das bombas tipo roots permite a montagem de unidades com velocidades de bombeamento muito altas (acima de 100.000 m3/h), que geralmente são mais econômicas de operar do que as bombas ejetoras de vapor operando na mesma faixa de operação.
Princípio de operação de uma bomba tipo roots
A bomba de vácuo tipo roots (consulte a Fig. 2.17) é um tipo de bomba rotativa de deslocamento positivo, em que dois impulsores simetricamente formados giram dentro da carcaça da bomba, um ao lado do outro, em estreita proximidade. Os dois rotores têm uma seção transversal semelhante ao formato de uma figura 8 e são sincronizados por uma engrenagem dentada. A folga entre os rotores e a parede da carcaça, bem como entre os próprios rotores, é de apenas alguns décimos de milímetro. Por essa razão, as bombas tipo roots podem ser operadas em altas velocidades sem desgaste mecânico. Em contraste com as bombas de palheta rotativa e a seco, as bombas tipo roots não são lubrificadas a óleo, de modo que o vazamento interno das bombas de compressão a seco por projeto resulta no fato de que as taxas de compressão somente na faixa de 10 a 100 podem ser alcançadas. O vazamento interno das bombas tipo roots, e também de outras bombas de compressão a seco para essa matéria, baseia-se principalmente no fato de que, devido ao princípio de funcionamento, determinadas áreas de superfície da câmara da bomba são atribuídas ao lado da admissão e ao lado da compressão da bomba de forma alternada. Durante a fase de compressão, essas áreas de superfície (rotores e carcaça) são carregadas com gás (camada limite); durante a fase de sucção, esse gás é liberado. A espessura da camada de gás de deslocamento depende da folga entre os dois rotores e entre os rotores e a parede da carcaça. Devido às condições térmicas relativamente complexas da bomba tipo roots, não é possível basear a consideração de alguém no estado frio. As menores folgas e, portanto, os fluxos de retorno mais baixos são atingidos em pressões de funcionamento na região de 1 mbar. Posteriormente, é possível atingir nessa região as taxas de compressão mais elevadas, mas esta faixa de pressão também é mais crítica considerando os contatos entre os rotores e a carcaça.
Fig. 2.17 Seção transversal esquemática de uma bomba tipo roots
- Flange de admissão
- Rotores
- Câmara
- Flange de exaustão
- Carcaça
Confira o vídeo abaixo para ver uma animação de bombeamento de uma bomba tipo roots em ação
RUVAC - The dry compressor roots principle
Quantidades caraterísticas de bombas tipo roots
A quantidade de gás Qeff efetivamente bombeada por uma bomba tipo roots é calculada a partir da quantidade teoricamente bombeada de gás Qth e o vazamento interno QiR (como a quantidade de gás que é perdida) como:
(2.5)
O seguinte se aplica à quantidade teoricamente bombeada de gás:
(2.6)
onde pa é a pressão de admissão e Sth é a velocidade teórica de bombeamento. Por sua vez, este é o produto do volume de bombeamento VS e a velocidade n:
(2.7)
Da mesma forma, o vazamento interno QiR é calculado como:
(2.8)
onde pV é a pressão de pré-vácuo (pressão no lado de pré-vácuo) e SiR é uma velocidade de bombeamento de "refluxo” (teórica) com
(2.9)
ou seja, o produto da velocidade n e do volume de vazamento interno ViR.
A eficiência volumétrica de bombas tipo roots é dada por (2.10)
(2.10)
Usando as equações 2.5, 2.6, 2.7 e 2.8, obtém-se (2.11)
(2.11)
Ao designar a compressão pv/pa como k, obtém-se
(2.11a)
A compressão máxima é alcançada com taxa de transferência zero (consulte PNEUROP e DIN 28 426, Parte 2). Ele é designado como k0: (2.12)
(2.12)
k0 é uma quantidade caraterística para a bomba tipo roots que normalmente é apresentada em função da pressão de pré-vácuo pV (consulte a Fig. 2.18).
k0 também depende (ligeiramente) do tipo de gás.
2.18 Compressão máxima k0 da bomba tipo roots RUVAC WA 2001 em função da pressão de pré-vácuo pv
Para a eficiência da bomba tipo roots, aplica-se a equação geralmente válida: (2.13)
(2.13)
Normalmente, uma bomba tipo roots será operada em conjunto com uma bomba de vácuo parcial a jusante com uma velocidade de bombeamento nominal SV. A equação de continuidade fornece: (2.14)
(2.14)
A partir dessa (2.15)
(2.15)
A relação Sth/SV (velocidade teórica de bombeamento da bomba tipo roots / velocidade de bombeamento da bomba de apoio) é chamada de gradação kth. De (2.15), obtém-se (2.16)
(2.16)
A equação (2.16) implica que a compressão k atingível com uma bomba tipo roots deve sempre ser menor que a classificação kth entre a bomba tipo roots e a bomba de apoio, uma vez que a eficiência volumétrica é sempre < 1. Ao combinar as equações (2.13) e (2.16), obtém-se para a eficiência a expressão bem conhecida (2.17)
(2.17)
As quantidades características a serem encontradas na equação 2.17 são apenas para a combinação da bomba tipo roots e da bomba de apoio, ou seja, compressão máxima k0 da bomba tipo roots e a gradação kth entre a bomba tipo roots e a bomba de apoio.
Com a ajuda das equações acima, a curva de velocidade de bombeamento de uma determinada combinação de bomba tipo roots e bomba de apoio pode ser calculada. Para isso, deve-se saber:
a) a velocidade teórica de bombeamento da bomba tipo roots: Sth
b) compressão máxima em função da pressão de pré-vácuo: k0 (pV)
c) a velocidade de bombeamento característica da bomba de apoio SV (pV)
A forma como o cálculo é realizado pode ser vista na Tabela 2.3, que fornece os dados para a combinação de uma bomba tipo roots RUVAC WA 2001 / E 250 (bomba de êmbolo rotativo de estágio único, operada sem lastro de gás).
Tabela 2.3 Os valores obtidos das duas colunas do lado direito fornecem ponto a ponto a curva de velocidade de bombeamento para a combinação WA 2001/E250 (consulte a Fig. 2.19, curva superior)
Neste caso, é considerado para Sth:
O método descrito acima também pode ser aplicado a arranjos que consistem em uma bomba rotativa como bomba de apoio e várias bombas tipo roots conectadas em série, por exemplo. Inicialmente, determina-se – de acordo com um método de iteração – a caraterística de bombeamento da bomba de apoio mais a primeira bomba tipo roots e, então, considera essa combinação como a bomba de apoio para a segunda bomba tipo roots e assim por diante. Obviamente, é necessário que a velocidade de bombeamento teórica de todas as bombas do arranjo seja conhecida e que a compressão a rendimento zero k0 em função da pressão de apoio também seja conhecida. Como já foi dito, depende do processo de vácuo qual classificação será mais adequada. Pode ser uma vantagem quando a bomba de apoio e a bomba tipo roots têm a mesma velocidade de bombeamento na faixa de vácuo parcial.
Requisitos de energia de uma bomba tipo roots
A compressão em uma bomba tipo roots é realizada por meio de compressão externa e é denominada compressão isocórica. A experiência mostra que a seguinte equação vale aproximadamente:
(2.18)
Para determinar a potência total (chamada de saída do eixo) da bomba, devem ser consideradas as perdas de potência mecânica NV (por exemplo, nas vedações do rolamento): (2.19)
(2.19)
As perdas de potência resumidas em NV são - conforme mostrado por experiência - aproximadamente proporcionais a Sth, ou seja:
(2.20)
Dependendo do tipo de bomba e do seu projeto, o valor da constante varia entre 0,5 e 2 Wh/m3.
A potência total é, portanto:
A equação de valor numérico correspondente que é útil para cálculos é:
(2.21)
com pv, pa em mbar, Sth em m3 / h e a constante "const." entre 18 e 72 mbar.
Nível de carga de uma bomba tipo roots
A quantidade de energia consumida pela bomba determina sua temperatura. Se a temperatura aumentar acima de um certo nível, determinado pela diferença de pressão máxima permitida pV – pa, existe o perigo de que os rotores possam emperrar na carcaça devido à sua expansão térmica. A diferença de pressão máxima permitida Δpmax é influenciada pelos seguintes fatores: pressão de pré-vácuo ou de compressão pV, velocidade de bombeamento da bomba de apoio SV, velocidade da bomba tipo roots n, gradação kth e o expoente adiabático κ do gás bombeado. Δpmax aumenta quando pV e SV aumentam e diminui quando n e kth aumentam. Assim, a diferença máxima entre a pressão de pré-vácuo e a pressão de admissão, pV-pa deve - durante a operação contínua - não exceder um determinado valor, dependendo do tipo de bomba. Esses valores estão na faixa entre 130 e 50 mbar. No entanto, a diferença de pressão máxima permitida para a operação contínua pode ser excedida por breves períodos. No caso de projetos especiais, que utilizam refrigeração a gás, por exemplo, as diferenças de alta pressão também são permitidas durante a operação contínua.
Tipos de motores usados com bombas tipo roots
Motores padrão montados em flange são usados como o acionamento. As passagens de eixo são vedadas por duas vedações de eixo radiais vedadas a óleo que funcionam em uma bucha resistente ao desgaste para proteger o eixo de transmissão. Motores de flange de qualquer classe de proteção, tensão ou frequência podem ser usados.
A estanqueidade integral dessa versão é < 10-4mbar · l · s-1.
No caso de melhores requisitos de estanqueidade de < 10-5 mbar · l · s-1, a bomba tipo roots está equipada com um motor blindado. O rotor está assentado no vácuo no eixo de transmissão da bomba e é separado do estator por um tubo não magnético hermético. As bobinas do estator são resfriadas por um ventilador com seu próprio motor de acionamento. Portanto, as vedações de eixo que podem estar sujeitas a desgaste não são mais necessárias. O uso de bombas tipo roots equipadas com motores blindados é especialmente recomendado ao bombear gases e vapores de alta pureza, tóxicos ou radioativos.
Mantendo a diferença de pressão permitida
No caso de bombas tipo roots padrão, devem ser introduzidas medidas para garantir que a diferença de pressão máxima permitida entre a porta de admissão e de escape, devido a restrições de projeto, não seja excedida. Isso é feito por um interruptor de pressão, que corta a entrada e saída da bomba tipo roots, dependendo da pressão de admissão, ou usando uma diferença de pressão ou válvula de transbordamento na derivação das bombas tipo roots (Fig. 2.20 e 2.21). O uso de uma válvula de transbordamento na derivação da bomba tipo roots é a melhor e mais confiável solução. O peso e a válvula com mola são ajustados para a diferença de pressão máxima permitida da bomba específica. Isso garante que a bomba tipo roots não esteja sobrecarregada e que ela possa ser operada em qualquer faixa de pressão. Na prática, isso significa que a bomba tipo roots pode ser ligada, com a bomba de apoio, à pressão atmosférica. No processo, qualquer aumento de pressão não afetará adversamente a operação combinada, ou seja, a bomba tipo roots não será desligada nessas circunstâncias.
Fig. 2.20 Corte transversal de bombas tipo roots com linha de derivação
Fig. 2.21 Diagrama de vácuo – bomba tipo roots com linha de derivação integrada e bomba de apoio
Resfriamento de pré-admissão
No caso de bombas tipo roots, com resfriamento de pré-admissão (Fig. 2.22), o processo de compressão é basicamente o mesmo de uma bomba tipo roots normal. Como maiores diferenças de pressão são permitidas, é necessária mais potência instalada, que na velocidade dada e a diferença de pressão entre a porta de entrada e descarga é diretamente proporcional, sendo composta pelo trabalho teórico realizado na compressão e várias perdas de potência. O processo de compressão termina normalmente após a abertura da câmara bombeamento na direção da porta de descarga. Agora, o gás aquecido a uma pressão mais alta flui para a câmara bombeamento e comprime o volume transportado de gás. Esse processo de compressão é realizado antecipadamente no caso de resfriamento pré-admissão. Antes que o rotor abra a câmara de bombeamento na direção da porta de descarga, o gás comprimido e resfriado flui para a câmara de bombeamento através do canal de pré-admissão. Finalmente, os rotores ejetam o agente bombeado pela porta de descarga. O gás arrefecido, que, no caso da compressão de estágio único, é retirado da atmosfera e admitido a partir do resfriador de pré-admissão, e que, no caso de sistemas de bomba de vários estágios, é retirado dos resfriadores de gás a jusante, realiza uma pré-compressão e remove por "resfriamento interno" o calor de compressão no momento em que ocorre.
Fig. 2.22 Diagrama de uma bomba tipo roots com resfriamento de pré-admissão
- Porta de entrada
- Porta de descarga
- Resfriador de gás
- Fluxo de gás frio
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
